EP4430685A1 - Brennstoffzelle für einen brennstoffzellenstapel - Google Patents

Brennstoffzelle für einen brennstoffzellenstapel

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Publication number
EP4430685A1
EP4430685A1 EP22802505.2A EP22802505A EP4430685A1 EP 4430685 A1 EP4430685 A1 EP 4430685A1 EP 22802505 A EP22802505 A EP 22802505A EP 4430685 A1 EP4430685 A1 EP 4430685A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
segments
fuel cell
membrane layer
catalyst membrane
channel structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22802505.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ann-Kathrin Henss
Barnaby Law
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Publication of EP4430685A1 publication Critical patent/EP4430685A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2418—Grouping by arranging unit cells in a plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
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    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell for a fuel cell stack.
  • a fuel cell stack also referred to as a stack
  • a plurality of fuel cells are placed next to one another in a stacking direction and are therefore connected in series.
  • a respective fuel cell can have a bipolar plate and a catalyst membrane layer, in particular a catalyst-coated membrane layer (Catalyst Coated Membrane, CCM).
  • CCM Catalyst Coated Membrane
  • This separates, for example, hydrogen and oxygen and at the same time transports the protons from the anode to the cathode.
  • an increase in the active area (Active Cell Area, AC A) of the individual fuel cell can also be of interest. This can be used, for example, to set the maximum possible current and, as a result, also the maximum or nominal power.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying an advantageous fuel cell.
  • the catalyst membrane layer is divided into at least two segments, but these are assigned a continuous bipolar plate.
  • the segments of the catalyst membrane layer are connected in parallel and a desired output power of the cell can be set by operating the individual segments accordingly. For example, all segments can be operated together ("full load”) or some of them can be switched off (“partial load”). . Because of With the parallel connection, the desired output power is then applied to the bipolar plate, to a certain extent integrally over the individual segments.
  • the individual controllability of the segments is realized via their reaction gas supply, specifically a (first) channel structure of the fuel cell is also segmented, specifically congruent with the segmentation of the catalyst membrane layer.
  • the latter means that the segments of the channel structure are aligned with those of the catalyst membrane layer in the stacking direction.
  • a reaction gas for example hydrogen or oxygen
  • the channel structure offers, for example, a separate inlet for the reaction gas per segment, preferably a separate inlet and outlet.
  • the (first) channel structure is preferably formed by the (first) bipolar plate.
  • the segments can be operated with different power levels or completely switched off in segments.
  • This setting option can be advantageous, for example, insofar as operation in a specific load range can be particularly efficient or, in the case of particularly low power (e.g. ⁇ 5-10% of the nominal power), the fuel cell can even be damaged. through the segment In this way, one or more of the segments can then be switched off completely, while the remaining segment or segments can continue to be operated with a power above the critical range.
  • z Based on the fuel cell or the stack as a whole, z. For example, despite being designed for a high nominal power, areas of low power can also be reached that would otherwise be inaccessible. When used in an aircraft, this can be of interest, for example, if the aircraft is already on the runway but is still waiting for clearance. In the example with the critical range below 5-10%, e.g. B. with a fuel cell divided into three segments, only 1.5% to 3% of the nominal output can be accessed. Irrespective of the achievability of low power, the segmentation and thus individual adjustability can also take into account varying conditions, for example a temperature gradient (depending on its temperature, an optimal operating condition can be set for a respective segment, depending on its temperature).
  • the bipolar plate is made of an electrically conductive material, for example graphitic or preferably metallic.
  • the first bipolar plate forms the first channel structure, also referred to as a flow field, ie it is correspondingly structured on its side facing the catalyst membrane layer.
  • the bipolar plate can be taken there with a variety of webs that rise in the stacking direction and z. B. at least partially parallel to each other; perpendicular to the stacking direction, the webs delimit the channels of the channel structure.
  • the "stacking direction" is perpendicular to the surface of the fuel cell surface, in the stacking direction the catalyst membrane layer and bipolar plate follow one another (and other layers, see below); the individual fuel cells are then placed next to one another in the stacking direction in the fuel cell stack.
  • the surface directions are perpendicular to the stacking direction.
  • the fuel cell has a seal which seals the segments of the channel structure or catalyst membrane layer against one another.
  • the seal preferably has a plurality of sealing elements which can be formed in multiple parts or also integrally, ie connected, with a respective segment of the catalyst membrane layer/channel structure being completely surrounded by a respective sealing element. A particularly good separation of the segments can be achieved with the seal or the sealing elements.
  • a (first) gas diffusion layer which is arranged between the (first) bipolar plate and the catalyst membrane layer in the stacking direction, is also divided into at least two segments.
  • the segmentation of the gas diffusion layer is preferably congruent with that of the catalyst membrane layer and channel structure.
  • the gas diffusion layer can, on the one hand, distribute the reaction gas to the electrode of the catalyst membrane layer and, on the other hand, remove the current from there (and, for example, also water and heat).
  • a gas diffusion layer is preferably provided on both sides of the catalyst membrane layer.
  • a second bipolar plate is preferably arranged on a side of the catalyst membrane layer opposite the first bipolar plate (opposite in the stacking direction).
  • the first gas diffusion layer between the catalyst membrane layer and the first bipolar plate and a second gas diffusion layer on the opposite side (between the catalyst membrane layer and the bipolar plate) being segmented accordingly.
  • the second bipolar plate forms a second channel structure on its side facing the catalyst membrane layer, through which a reaction gas flows during operation (eg oxygen or hydrogen, complementary to the first channel structure).
  • a reaction gas eg oxygen or hydrogen, complementary to the first channel structure.
  • the second channel structure is preferably also segmented, particularly preferably congruent with the catalyst membrane layer and the first channel structure/bipolar plate.
  • first and second channel structures can also be of interest in that their channels are parallel to one another lay.
  • the inlet and outlet of the channel structures can be on the same side of the fuel cell or on opposite sides perpendicular to the stacking direction, and the other two sides can be used, for example, for the cooling fluid supply and discharge.
  • the mutually parallel channels preferably run in a first surface direction and the segmentation exists in relation to a second surface direction perpendicular thereto.
  • the fuel cell has a cooling channel through which a cooling fluid flows during operation.
  • the cooling channel is not segmented in a preferred embodiment, but extends over the at least two segments, preferably over all segments of the catalyst membrane layer. If a cooling fluid flows through the channel during operation, this passes through the individual segments one after the other. For example, with segmentation, this can yield an advantageous interaction in that, in part load operation, an upstream segment that is operating can be used to preheat a temporarily non-operating segment downstream, which can later enable more efficient switching on.
  • the segments of the catalyst membrane layer differ in their material composition, at least partially.
  • the latter means that not all segments necessarily have to be different, for example there can also be several segments with the same material composition.
  • the first and/or second gas diffusion layer in the different segments can also have a different material composition, at least partially.
  • the material composition which varies across the segments, can, for example, take into account a temperature gradient that arises e.g. B. can also be adjusted due to the sequential flow with the cooling fluid when all segments are operated. By appropriate adjustment of the material composition the respective segment or its operating point can therefore be optimized for a respective temperature regime.
  • the catalyst membrane layer is preferably subdivided into at least three segments, further possible lower limits can be, for example, at least five, seven, nine or ten segments.
  • An upper limit can also depend on the size, ie the area of the fuel cell, for example 50, 40, 30 or 20 segments can be mentioned.
  • the invention also relates to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells, each segmented, are placed next to one another.
  • the segmentation across the fuel cells is preferably congruent, so that common connections can be provided for the reaction gas and preferably also for cooling the individual fuel cells.
  • the invention also relates to a method for operating a fuel cell or the stack disclosed herein, with only one or more of the segments being operated in a first operating state, but not all of them. In this way, in particular smaller overall services can be accessed, but switching off individual segments can, for example, also take into account damage that has occurred in one of the segments.
  • the entire fuel cell does not then have to be shut down (immediately), but only the faulty segment can be shut down and the cell or the stack can continue to be operated with reduced power.
  • a procedure can also be advantageous in that the segments that are switched on and off are varied, that is to say different segments are switched off in a first operating state than in a second first operating state.
  • This intermittent operation can, on average, allow the individual segments to be utilized essentially equally and also allow a certain regeneration of the individual segments.
  • a second operating state all segments are operated. Based on the example at the beginning, the first operating state can, for example, in the case of am Abut the starting field waiting aircraft, whereas the second state can then be set at the start and possibly also beyond.
  • downstream segments are not operated, whereas upstream segments are already operated.
  • the downstream segments can thus be preheated and thus prepared for subsequent connection.
  • the invention also relates to the use of a fuel cell or the stack described here in a drive unit of an aircraft or commercial vehicle.
  • FIG. 1 shows a fuel cell in a schematic section
  • FIG. 2 shows a top view of the fuel cell according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a stack with several fuel cells placed next to one another.
  • a fuel cell 1 which has a first bipolar plate 11 and a second bipolar plate 12 .
  • a catalyst membrane layer 2 is formed between the bipolar plates 11, 12, ie a catalyst-coated membrane. This is segmented, namely divided into a first segment 2.1, a second segment 2.2 and a third segment 2.3 in the present example.
  • a first gas diffusion layer 5 arranged, which is also segmented congruently with the catalyst membrane layer 2, presently divided into a first, second and third segment 5.1, 5.2, 5.3.
  • a second gas diffusion layer 6 arranged between the catalyst membrane layer 2 and the second bipolar plate 12 is also subdivided congruently into a first, second and third segment 6.1, 6.2, 6.3.
  • the bipolar plates 11, 12 each have a plurality of webs 11.1, 12.1 on their side facing the respective gas diffusion layer 5, 6, these form a first channel structure 21 and a second channel structure 22.
  • a respective reaction gas flows through these channel structures 21, 22 during operation. which would be through the respective gas diffusion layer 5, 6 diffuses into the catalyst membrane layer 2 over a large area.
  • the channel structures 21, 22 are segmented according to the catalyst membrane layer 2, namely in the present case they are each divided into a first, second and third segment 21.1, 22.1; 21.2, 22.2; 21.2, 22.3.
  • the segments 2.1-2.3 of the catalyst membrane layer can be supplied individually with reaction gas, ie their output can be adjusted independently of one another.
  • smaller output powers in particular can be accessible, cf. the introduction to the description in detail.
  • a seal 15 is provided for fluidic decoupling, which seals segments 2.1-2.3 against one another.
  • the top view shows the first bipolar plate 11, in which inlets and outlets 31, 32 for reaction gases 35, 36 and inlets and outlets 33, 34 for a cooling fluid 37 are provided at the edge. As shown, counterflow or coflo operation is possible.
  • the reaction gases 35, 36 are hydrogen and oxygen or air, with each segment 2.1-2.3 being assigned its own reaction gas supply, so that the respective channel structure 21, 22 (not shown in FIG. 2, cf. the synopsis with FIG 1 for illustration) each individually with the reaction gases 35, 36 can be supplied.
  • the supply of cooling fluid 37 via a cooling channel 38 affects all segments 2.1-2.3, so the cooling fluid passes through them one after the other. If, for example, only segment 2.1 is operated, the heat dissipated with the cooling fluid 37 can be used to preheat the downstream segments 2.2, 2.3, cf. the description instructions in detail.
  • FIG. 3 shows part of a fuel cell stack 40 with a plurality of fuel cells 1. These are stacked in a stacking direction 41, the multi-layer structure 42 consisting of the respective catalyst membrane layer 2 and gas diffusion layers 5, 6 being combined here and the segmentation not being shown either.
  • the multi-layer structure 42 consisting of the respective catalyst membrane layer 2 and gas diffusion layers 5, 6 being combined here and the segmentation not being shown either.
  • a monopolar plate 43 At the end there is a monopolar plate 43 and a cover plate 44. The latter is penetrated by tension rods 45 and braced against a cover plate at the opposite end (not shown), so that the individual fuel cells 1 are held together under pressure.
  • a current collector plate 46 is also arranged between the cover plate 44 and the monopolar plate 43 .

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Abstract

Brennstoffzelle (1) für einen Brennstoffzellenstapel (40), welche eine erste (Bipolarplatte (11) und eine Katalysatormembranlage (2) aufweist, wobei die (Katalysatormembranlage (2) in mindestens zwei Segmente (2.1-2.3) untergliedert ist, die erste Bipolarplatte (11) aber durchgehend ausgebildet ist und sich über die mindestens zwei Segmente (2.1-2.3) hinweg erstreckt, die mindestens zwei Segmente (2.1-2.3) also elektrisch parallel geschaltet sind, und wobei eine erste Kanalstruktur (21), die zum Versorgen der Katalysatormembranlage (2) mit einem Reaktionsgas (35, 36) vorgesehen ist, deckungsgleich mit den mindestens zwei Segmenten (21.1-21.3) der Katalysatormembranlage in mindestens zwei Segmente untergliedert ist.

Description

BRENNSTOFFZELLE FUR EINEN BRENNSTOFFZELLENSTAPEL
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel.
Stand der Technik
In einem Brennstoffzellenstapel, auch als Stack bezeichnet, werden mehrere Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung aneinander gesetzt und damit in Serie geschaltet. Dabei kann eine jeweilige Brennstoffzelle eine Bipolarplatte und eine Katalysatormembranlage aufweisen, insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membranlage (Catalyst Coated Membrane , CCM). Diese trennt bspw. Wasser- und Sauerstoff und transportiert zugleich die Protonen von der Anode zur Kathode. Mit Blick auf Hochleistungsanwendungen, wie bspw. die Luftfahrt oder auch den Nutzfahrzeug-Bereich, kann auch eine Vergrößerung der aktiven Fläche (Active Cell Area, AC A) der einzelnen Brennstoffzelle von Interesse sein. Damit kann sich bspw. die maximal mögliche Stromstärke und infolgedessen auch die Maximal- bzw. Nennleistung einstellen lassen.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Brennstoffzelle anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit der Brennstoffzelle nach Anspruch 1 gelöst, bei welcher die Katalysatormembranlage in mindestens zwei Segmente unterteilt ist, diesen aber eine durchgehende Bipolarplatte zugeordnet ist. Infolgedessen sind die Segmente der Katalysatormembranlage parallel geschaltet und lässt sich eine gewünschte Ausgangsleistung der Zelle durch einen entsprechenden Betrieb der einzelnen Segmente einstellen, es können bspw. alle Segmente gemeinsam betrieben („Volllast“) oder auch ein Teil davon weggeschaltet werden („Teillast“). Aufgrund der Parallelschaltung liegt die gewünschte Ausgangsleistung dann an der Bipolarplatte an, gewissermaßen integral über die einzelnen Segmente.
Die individuelle Ansteuerbarkeit der Segmente ist dabei über deren Reaktionsgasversorgung realisiert, es ist nämlich eine (erste) Kanalstruktur der Brennstoffzelle ebenfalls segmentiert, und zwar deckungsgleich mit der Segmentierung der Katalysatormembranlage. Letzteres meint, dass in der Stapelrichtung die Segmente der Kanalstruktur mit jenen der Katalysatormembranlage fluchten. Die Kanalstruktur bzw. deren Segmente werden im Betrieb von einem Reaktionsgas durchströmt, bspw. Wasser- oder Sauerstoff, wobei die Segmentierung eine individuelle Versorgung und damit „Ansteuerung“ der einzelnen Segmente der Katalysatormembranlage erlaubt. Die Kanalstruktur bietet dafür bspw. je Segment einen gesonderten Einlass für das Reaktionsgas, bevorzugt jeweils einen gesonderten Ein- und auch Auslass. Wie nachstehend im Detail diskutiert, wird die (erste) Kanalstruktur bevorzugt von der (ersten) Bipolarplatte gebildet.
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine Brennstoffzelle beschrieben, die für einen bestimmten Betrieb geeignet ist, ist dies zugleich als Offenbarung eines entsprechenden Betriebsverfahrens zu verstehen, sowie umgekehrt mit der Schilderung einer bestimmten Betriebsweise auch eine dafür geeignete Brennstoffzelle offenbart sein soll.
Die Segmente können mit unterschiedlicher Leistung betrieben oder segmentweise auch vollständig weggeschaltet werden. Diese Einstellmöglichkeit kann bspw. insofern von Vorteil sein, als der Betrieb in einem bestimmten Lastbereich besonders effizient sein kann bzw. bei besonders kleiner Leistung (z. B. < 5-10 % der Nennleistung) sogar eine Schädigung der Brennstoffzelle eintreten kann. Durch die Segmen- tierung kann eines oder können auch mehrere der Segmente dann vollständig ausgeschaltet werden, wohingegen das bzw. die verbleibenden Segmente mit einer Leistung oberhalb des kritischen Bereichs weiterbetrieben werden können.
Bezogen auf die Brennstoffzelle bzw. den Stapel insgesamt lassen sich damit z. B. trotz der Auslegung für eine hohe Nennleistung auch Bereiche geringer Leistung erreichen, die ansonsten nicht zugänglich wären. Bei der Anwendung in einem Flugzeug kann dies bspw. von Interesse sein, wenn das Flugzeug bereits auf der Startbahn steht, aber noch auf die Freigabe wartet. In dem Beispiel mit dem kritischen Bereich unterhalb vom 5-10 % können dann z. B. mit einer in drei Segmente unterteilten Brennstoffzelle etwa auch nur 1,5 % bis 3 % der Nennleistung abgerufen werden. Unabhängig von der Erreichbarkeit kleiner Leistungen kann die Segmentierung und damit individuelle Einstellbarke it bspw. auch über die Brennstoffzelle variierenden Bedingungen Rechnung tragen, etwa einem Temperaturgradienten (in Abhängigkeit von seiner Temperatur lässt sich für ein jeweiliges Segment eine jeweilig optimale Betriebsbedingung einstellen).
Generell ist die Bipolarplatte aus einem elektrisch leitfähigen Material gefasst, bspw. graphitisch oder vorzugsweise metallisch. In bevorzugter Ausgestaltung bildet die erste Bipolarplatte die erste Kanalstruktur, auch als Flowfield bezeichnet, ist sie also an ihrer der Katalysatormembranlage zugewandten Seite entsprechend strukturiert. Im Einzelnen kann die Bipolarplatte dort mit einer Vielzahl von Stegen gefasst sein, die sich jeweils in der Stapelrichtung erheben und z. B. zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen; senkrecht zur Stapelrichtung begrenzen die Stege die Kanäle der Kanalstruktur. Generell liegt die „Stapelrichtung“ senkrecht zur Fläche der Brennstoffzellenfläche, in der Stapelrichtung folgen die Katalysatormembranlage und Bipolarplatte aufeinander (und weitere Lagen, siehe unten); im Brennstoffzellenstapel sind die einzelnen Brennstoffzellen dann in der Stapelrichtung aneinandergesetzt. Senkrecht zur Stapelrichtung liegen die Flächenrichtungen.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Brennstoffzelle eine Dichtung auf, welche die Segmente der Kanalstruktur bzw. Katalysatormembranlage gegeneinander dich- tet. Bevorzugt weist die Dichtung mehrere Dichtungselemente auf, die mehrteilig zueinander oder auch integral, also zusammenhängend ausgebildet sein können, wobei ein jeweiliges Segment der Katalysatormembranlage/Kanalstruktur von einem jeweiligen Dichtungselement jeweils vollständig umlaufend eingeschlossen wird. Mit der Dichtung bzw. den Dichtungselementen kann eine besonders gute Separierung der Segmente erreicht werden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist eine (erste) Gasdiffusionslage, die in Stapelrichtung zwischen der (ersten) Bipolarplatte und der Katalysatormembranlage angeordnet ist, ebenfalls in mindestens zwei Segmente unterteilt. Bevorzugt ist die Segmentierung der Gasdiffusionslage dabei deckungsgleich mit jener der Katalysatormembranlage und Kanalstruktur. Die Gasdiffusionslage kann einerseits das Reaktionsgas an die Elektrode der Katalysatormembranlage verteilen und andererseits den Strom von dort abführen (und bspw. auch Wasser und Wärme).
Bevorzugt ist beidseits der Katalysatormembranlage jeweils eine Gasdiffusionslage vorgesehen. Bevorzugt ist an einer der ersten Bipolarplatte entgegengesetzten Seite der Katalysatormembranlage eine zweite Bipolarplatte angeordnet (in Stapelrichtung entgegengesetzt). Vorzugsweise gibt es zwischen der Katalysatormembranlage und der ersten Bipolarplatte dann die erste Gasdiffusionslage und auf der entgegengesetzten Seite eine zweite Gasdiffusions läge (zwischen Katalysatormembranlage und Bipolarplatte), wobei beide Gasdiffusionslagen der Katalysatormembranlage entsprechend segmentiert sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet die zweite Bipolarplatte an ihrer der Katalysatormembranlage zugewandten Seite eine zweite Kanalstruktur, die im Betrieb von einem Reaktionsgas durchströmt wird (z. B. Sauer- oder Wasserstoff, komplementär zur ersten Kanalstruktur). Die zweite Kanalstruktur ist bevorzugt ebenfalls segmentiert, besonders bevorzugt deckungsgleich mit der Katalysatormembranlage und ersten Kanalstruktur/Bipolarp latte.
Auch unabhängig von diesen Details kann eine Ausgestaltung der ersten und zweiten Kanalstruktur dahingehend von Interesse sein, dass deren Kanäle parallel zueinander liegen. Dabei können Ein- und Auslass der Kanalstrukturen auf derselben oder senkrecht zur Stapelrichtung entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle liegen, und die beiden anderen Seiten können bspw. für die Kühlfluidzu- und abfuhr genutzt werden. Bevorzugt verlaufen die zueinander parallelen Kanäle in einer ersten Flächenrichtung und besteht die Segmentierung in Bezug auf eine zweite, dazu senkrechte Flächenrichtung.
Generell weist die Brennstoffzelle in bevorzugter Ausgestaltung einen Kühlkanal auf, der im Betrieb von einem Kühlfluid durchströmt wird. Im Unterschied zur ersten und zweiten Kanalstruktur ist der Kühlkanal dabei in bevorzugter Ausgestaltung nicht segmentiert, sondern erstreckt er sich über die mindestens zwei Segmente hinweg, bevorzugt über sämtliche Segmente der Katalysatormembranlage. Wird der Kanal im Betrieb von einem Kühlfluid durchströmt, passiert dieses nacheinander die einzelnen Segmente. Mit der Segmentierung kann dies bspw. eine vorteilhafte Wechselwirkung dahingehend ergeben, dass in einem Teillastbetrieb ein stromauf gelegenes Segment, das betrieben wird, genutzt werden kann, um ein zeitweilig nicht betriebenes Segment stromab vorzuheizen, was später ein effizienteres Hinzuschalten ermöglichen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Segmente der Katalysatormembranlage in ihrer Materialzusammensetzung, jedenfalls teilweise. Letzteres meint, dass sich nicht zwingend sämtliche Segmente unterscheiden müssen, es kann bspw. auch mehrere Segmente mit gleicher Materialzusammensetzung geben. Alternativ oder zusätzlich zur variierenden Materialzusammensetzung der Katalysatormembranlage kann auch die erste und/oder zweite Gasdiffusions läge in den unterschiedlichen Segmenten mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung gefasst sein, jedenfalls teilweise.
Die über die Segmente variierende Materialzusammensetzung kann bspw. einem Temperaturgradienten Rechnung tragen, der sich z. B. aufgrund der sequenziellen Anströmung mit dem Kühlfluid auch dann einstellen kann, wenn alle Segmente betrieben werden. Durch entsprechende Anpassung der Materialzusammensetzung lässt sich das jeweilige Segment bzw. sein Arbeitspunkt also auf ein jeweiliges Temperaturregime optimieren.
Insgesamt ist die Katalysatormembranlage bevorzugt in mindestens drei Segmente untergliedert, weitere mögliche Untergrenzen können bspw. bei mindestens fünf, sieben, neun bzw. zehn Segmenten liegen. Eine Obergrenze kann auch von der Größe, also Fläche der Brennstoffzelle abhängen, exemplarisch können 50, 40, 30 bzw. 20 Segmente genannt werden.
Die Erfindung betrifft auch einen Brennstoffzellenstapel, in dem mehrere jeweils segmentierte Brennstoffzellen aneinandergesetzt sind. Bevorzugt ist die Segmentierung über die Brennstoffzellen hinweg dabei deckungsgleich, sodass gemeinsame Anschlüsse für das Reaktionsgas und vorzugsweise auch zur Kühlung für die einzelnen Brennstoffzellen vorgesehen werden können.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer vorliegend offenbarten Brennstoffzelle bzw. des Stapels, wobei in einem ersten Betriebszustand nur eines oder mehrere der Segmente betrieben werden, aber nicht alle. Damit können insbesondere kleinere Gesamtleistungen zugänglich sein, das Abschalten einzelner Segmente kann aber bspw. auch einer eingetretenen Beschädigung in einem der Segmente Rechnung tragen. Es muss dann nicht (sofort) die gesamte Brennstoffzelle abgeschaltet werden, sondern kann auch nur das fehlerhafte Segment stillgelegt und die Zelle bzw. der Stapel mit verringerter Leistung weiterbetrieben werden.
Vorteilhaft kann auch eine Verfahrensweise dahingehend sein, dass die ein- und ausgeschalteten Segmente variiert werden, also in einem ersten ersten Betriebszustand andere Segmente ausgeschaltet sind als in einem zweiten ersten Betriebszustand.
Dieser intermittierende Betrieb kann im Mittel eine im Wesentlichen gleiche Auslastung der einzelnen Segmente und zudem eine gewisse Regeneration der einzelnen Segmente erlauben.
In einem zweiten Betriebszustand werden sämtliche Segmente betrieben. Bezogen auf das Beispiel eingangs kann der erste Betriebszustand bspw. im Falle des am Startfeld wartenden Flugzeugs anliegen, wohingegen der zweite Zustand danach beim Start und ggf. auch darüber hinaus eingestellt sein kann.
Wie vorstehend erwähnt, kann im ersten Betriebszustand bevorzugt sein, dass bezogen auf das Kühlfluid stromabgelegene Segmente nicht, stromaufgelegene Segmente hingegen schon betrieben werden. Die stromabgelegenen Segmente können damit vorgeheizt und so auf das spätere Hinzuschalten vorbereitet werden.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend beschriebenen Brennstoffzelle bzw. des Stapels in einer Antriebseinheit eines Flugzeugs oder Nutzfahrzeugs.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
Figur 1 eine Brennstoffzelle in einem schematischen Schnitt;
Figur 2 eine Aufsicht zu der Brennstoffzelle gemäß Figur 1;
Figur 3 einen Stack mit mehreren aneinandergesetzten Brennstoffzellen.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 1, die eine erste Bipolarplatte 11 und eine zweite Bipolarplatte 12 aufweist. Zwischen den Bipolarplatten 11, 12 ist eine Katalysatormembranlage 2 ausgebildet, also eine katalysatorbeschichtete Membran. Diese ist segmentiert ausgeführt, nämlich im vorliegenden Beispiel in ein erstes Segment 2.1, ein zweites Segment 2.2 und eine drittes Segment 2.3 unterteilt. Zwischen der ersten Bipolarplatte 11 und der Katalysatormembranlage 2 ist eine erste Gasdiffusions läge 5 angeordnet, die ebenfalls deckungsgleich mit der Katalysatormembranlage 2 segmentiert ist, vorliegend in ein erstes, zweites und drittes Segment 5.1, 5.2, 5.3 unterteilt ist. Eine zwischen der Katalysatormembranlage 2 und der zweiten Bipolarplatte 12 angeordnete zweite Gasdiffusionslage 6 ist ebenfalls deckungsgleich in ein erstes, zweites und drittes Segment 6.1, 6.2, 6.3 unterteilt.
Die Bipolarplatten 11, 12 weisen an ihrer der jeweiligen Gasdiffusionslage 5, 6 zugewandten Seite jeweils mehrere Stege 11.1, 12.1 auf, diese bilden eine erste Kanalstruktur 21 und eine zweite Kanalstruktur 22. Diese Kanalstrukturen 21, 22 werden im Betrieb von einem jeweiligen Reaktionsgas durchströmt, welches durch die jeweilige Gasdiffusions läge 5, 6 großflächig in die Katalysatormembranlage 2 eindiffundiert. Die Kanalstrukturen 21, 22 sind dabei der Katalysatormembranlage 2 entsprechend segmentiert, gliedern sich nämlich vorliegend jeweils in ein erstes, zweites und drittes Segment 21.1, 22.1; 21.2, 22.2; 21.2, 22.3. Damit lassen sich die Segmente 2. 1-2.3 der Katalysatormembranlage individuell mit Reaktionsgas versorgen, kann ihre Leistung also unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch können insbesondere kleinere Ausgangsleistungen zugänglich sein, vgl. die Beschreibungseinleitung im Detail. Zur fluidischen Entkopplung ist eine Dichtung 15 vorgesehen, welche die Segmente 2. 1-2.3 gegeneinander dichtet.
Fig. 2 zeigt die Brennstoffzelle 1 bzw. einen Teil davon in einer Aufsicht. Die Segmente 2.1-2.3 der Katalysatormembranlage 2 werden, wie eben erwähnt, von der Dichtung 15 gegeneinander gedichtet, wobei ein jeweiliges Dichtungselement 15.1, 15.2, 15.3 das jeweilige Segment 2.1, 2.2, 2.3 jeweils vollständig umlaufend einfasst. Ferner ist in der Aufsicht die erste Bipolarplatte 11 zu erkennen, in der randseitig Ein- und Auslässe 31, 32 für Reaktionsgase 35, 36, sowie Ein- und Auslass 33, 34 für ein Kühlfluid 37 vorgesehen sind. Es ist, wie dargestellt, ein Counterflow- oder auch ein Coflo -Betrieb möglich.
Vorliegend sind die Reaktionsgase 35, 36 Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft, wobei jedem Segment 2. 1-2.3 jeweils eine eigene Reaktionsgasversorgung zugeordnet ist, sodass die jeweilige Kanalstruktur 21, 22 (in Fig. 2 nicht dargestellt, vgl. die Zusammenschau mit Fig. 1 zur Illustration) jeweils individuell mit den Reaktionsgasen 35, 36 versorgt werden kann. Die Versorgung mit dem Kühlfluid 37 über einen Kühlkanal 38 betrifft hingegen sämtliche Segmente 2.1-2.3, das Kühlfluid passiert diese also nacheinander. Damit kann, wenn bspw. allein das Segment 2. 1 betrieben wird, die mit dem Kühlfluid 37 abgeführte Wärme zum Vorheizen der stromablie- genden Segmente 2.2, 2.3 genutzt werden, vgl. die Beschreibungsanleitung im Einzelnen.
Fig. 3 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellenstapels 40 mit mehreren Brennstoffzellen 1. Diese sind in einer Stapelrichtung 41 aneinandergesetzt, wobei der Mehrlagenaufbau 42 aus jeweiliger Katalysatormembranlage 2 und Gasdiffusionslagen 5, 6 hier zusammengefasst und auch die Segmentierung nicht dargestellt ist. Endseitig finden sich eine Monopolarplatte 43 und eine Abdeckplatte 44. Letztere wird von Zugan- kem 45 durchsetzt und gegen eine Abdeckplatte am entgegengesetzten Ende (nicht dargestellt) verspannt, sodass die einzelnen Brennstoffzellen 1 unter Druck zusammengehalten sind. Zwischen der Abdeckplatte 44 und der Monopolarp latte 43 ist da- bei noch eine Stromabnehmerplatte 46 angeordnet.
BEZUGSZEICHENLISTE
Brennstoffzelle 1
Katalysatormembranlage 2
Erstes Segment 2.1
Zweites Segment 2.2
Drittes Segment 2.3
Erste Gasdiffusionslage 5
Erstes Segment 5.1
Zweites Segment 5.2
Drittes Segment 5.3
Zweite Gasdiffusions läge 6
Erstes Segment 6.1
Zweites Segment 6.2
Drittes Segment 6.3
Erste Bipolarplatte 11
Zweite Bipolarplatte 12
Stege (der Bipolarplatten) 11.1, 12.1
Erste Kanalstruktur 21
Zweite Kanalstruktur 22
Erstes Segment (der jeweiligen Kanalstruktur) 21.1, 22.1
Zweites Segment (der jeweiligen Kanalstruktur) 21.2, 22.2
Drittes Segment (der jeweiligen Kanalstruktur) 21.2, 22.3
Dichtung 15
Jeweiliges Dichtungselement 15.1, 15.2,
15.3
Ein- und Auslässe für Reaktionsgas 31, 32
Ein- und Auslass für Kühlfluid 33, 34
Reaktionsgase 35, 36,
Kühlfluid 37
Kühlkanal 38
Brennstoffzellenstapel 40 Stapelrichtung 41
Mehrlagenaufbau 42
Monopolarplatte 43
Abdeckplatte 44 Zuganker 45
Stromabnehmerplatte 46

Claims

ANSPRÜCHE Brennstoffzelle (1) für einen Brennstoffzellenstapel (40), welche eine erste Bipolarplatte (11) und eine Katalysatormembranlage (2) aufweist, wobei die Katalysatormembranlage (2) in mindestens zwei Segmente (2.1-
2.3) untergliedert ist, die erste Bipolarplatte (11) aber durchgehend ausgebildet ist und sich über die mindestens zwei Segmente (2.1-2.3) hinweg erstreckt, die mindestens zwei Segmente (2.1-2.3) also elektrisch parallel geschaltet sind, und wobei eine erste Kanalstruktur (21), die zum Versorgen der Katalysatormembranlage (2) mit einem Reaktionsgas (35, 36) vorgesehen ist, deckungsgleich mit den mindestens zwei Segmenten (2.1-2.3) der Katalysatormembranlage in mindestens zwei Segmente (21.1-21.3) untergliedert ist. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, bei welcher die erste Bipolarplatte (11) an ihrer der Katalysatormembranlage (2) zugewandten Seite die erste Kanalstruktur (21) für ein Reaktionsgas (35, 36) bildet. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Dichtung (15), welche die mindestens zwei Segmente (21.1-21.3) der ersten Kanalstruktur (21) gegeneinander dichtet. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 3, bei welcher ein jeweiliges Dichtungselement (15.1-15.3) der Dichtung (15) ein jeweiliges Segment (2. 1-2.3) der Katalysatormembranlage (2) umlaufend einfasst. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher zwischen der ersten Bipolarplatte (11) und der Katalysatormembranlage (2) eine erste Gasdiffusions läge (5) angeordnet ist, wobei die erste Gasdiffusionslage (5) deckungsgleich mit den mindestens zwei Segmenten (2. 1-2.3) der Katalysatormembranlage in mindestens zwei Segmente (5. 1-5.3) untergliedert ist. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer zweiten Bipolarplatte (12), die auf einer der ersten Bipolarplatte (11) entgegengesetzten Seite der Katalysatormembranlage (2) angeordnet und ist und an ihrer der Katalysatormembranlage (2) zugewandten Seite eine zweite Kanalstruktur (22) für ein Reaktionsgas (35, 36) bildet, wobei die zweite Kanalstruktur (22) deckungsgleich mit den mindestens zwei Segmenten (2. 1-2.3) der Katalysatormembranlage (2) in mindestens zwei Segmente (22.1-22.3) untergliedert ist. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 6, bei welcher die erste Kanalstruktur (21) erste Kanäle und die zweite Kanalstruktur (22) zweite Kanäle aufweist, wobei die ersten und zweiten Kanäle parallel zueinander verlaufen. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche einen Kühlkanal (38) zum Durchströmen mit einem Kühlfluid (37) aufweist, wobei der Kühlkanal (38) die mindestens zwei Segmente (2.1-2.3) der Katalysatormembranlage (2) passiert. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher sich die mindestens zwei Segmente (2.1-2.3) der Katalysatormembranlage (2) in ihrer Materialzusammensetzung unterscheiden. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Katalysatormembranlage (2) in mindestens drei Segmente (2.1-2.3) untergliedert ist. - 14 - Brennstoffzellenstapel (40) mit mehreren Brennstoffzellen 1 nach einem der vorstehenden Ansprüche, die in einer Stapelrichtung (41) aufeinanderfolgend angeordnet sind. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Brennstoffzellenstapels (40) nach Anspruch 11, bei welchem Verfahren in einem ersten Betriebszustand ein Teil der mindestens zwei Segmente (2.1-2.3) der Katalysatormembranlage (2) betrieben wird, ein anderer Teil aber nicht. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem in einem zweiten Betriebszustand alle Segmente (2. 1-2.3) der Katalysatormembranlage (2) betrieben werden. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem der Kühlkanal (38) mit einem Kühlfluid (37) durchströmt wird, wobei die Segmente (2.1-2.3) der Katalysatormembranlage (2), die in dem ersten Betriebszustand betrieben werden, bezogen auf die Durchströmung des Kühlkanals (38) stromauf und die Segmente (2.1-2.3), die nicht in dem ersten Betriebszustand nicht betrieben werden, stromab an dem Kühlkanal (38) liegen. Verwendung einer Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 o- der eines Brennstoffzellenstapels (40) nach Anspruch 11, in einer Antriebseinheit eines Flugzeugs oder Nutzfahrzeugs.
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